水资源压力对区域经济发展的影响

水资源压力对区域经济发展的影响

一、水资源压力的分析方法水资源压力是指在一定的自然地理环境和时间条件下，为了满足人类的生存和发展需求，维护整个社会和经济活动的正常运行，国家和地区造成的资源总量上的压力。水资源压力的大小势必关系着区域整体发展布局、制约着经济发展模式的选择。山西省人均水资源不足全国平均水平的1/5,在城市化和工业化快速推进过程中,有限的水资源支撑着经济的持续高速增长和逐步庞大的人口规模,但水资源供需矛盾日益尖锐、水生态破坏加剧成为不可回避的现实。在转型发展、跨越发展的新思路下,迫切需要从区域尺度上对山西省的水资源压力进行综合分析和评估,为山西省全面实现跨越发展、转型发展提供决策依据。近年来,学者们从不同角度使用不同方法对水资源压力展开研究,如韩宇平等采用判断矩阵分析法、吴璞周应用人工神经网络法、刘玉龙等利用层次分析法,对我国区域水资源压力进行了分析研究。上述文献尽管指标选取有不同侧重,其研究成果均为水资源规划、配置提供了有效的决策依据,所采用的方法均属于传统的统计分析方法,共同特点是“对数据结果或分布特征先作某种假定,按照一定准则建立显式评价函数,对建立的评价函数模型进行证实”,由于形式化、数学化等的局限性,对高维、非线性、非正态评价问题的适应能力不强。而且,在评价指标权重的确定上需根据经验确定,导致评价结果有一定程度的人为任意性。投影寻踪法(ProjectionPursuit,简称PP)是近代统计学发展起来的,用来分析和处理高维观测数据,特别是非线性和非正态高维数据的一种统计方法。其主要优点是,模型本身对数据和样本容量无特别要求,在处理数据时无须人为假定,不会损失大量有用的信息,克服了高维数据所造成的“维数祸根”困难,可以排除与数据结构和特征无关或关系很小的变量的干扰,且能自动找出数据内在规律。目前,该方法与传统分析法和算法相结合提供了多种新方法,广泛应用于环境质量评价与环境监测、水质评价、洪灾评价、能耗评价等领域。本文以投影寻踪理论为基础,从反映水资源自然禀赋与社会要素的空间组合及其开发利用水平的角度选取评价指标,建立山西省水资源压力投影寻踪分类评价模型,对山西省2010年11地市的水资源压力进行综合评价,为水资源压力评价提供一种新思路。二、评价指标的选取评价指标的选取是否全面妥当对评价结果影响很大,因此,为尽可能全面地分析区域水资源压力,本文在研究相关文献指标选取的基础上,结合山西省的具体情况,从水资源自然禀赋、水资源与支撑经济发展的社会经济要素的组合、水资源开发水平与利用水平四个方面选取了相应的12个评价指标。具体如下:1.水资源禀赋压力指标。水资源的禀赋压力取决于水资源的绝对丰缺程度和相对丰缺程度。选用人均水资源量和水资源密度两个指标衡量水资源禀赋压力。2.水资源与社会经济要素的组合压力指标。根据山西省水资源特点和产业特点,选取耕地面积、人口数量、煤炭销量、GDP四项指标作为水资源与社会经济要素的组合压力指标。3.水资源开发压力指标。由于山西个别地市利用外调水解决水资源短缺问题,且部分水源是坑矿水和污水处理回用,为更好地反映水资源开发强度,选用水资源新鲜用水量占当地水资源总量的比值作为衡量水资源开发压力的指标。4.水资源利用压力指标。从取水结构、用水结构和水资源生产率三方面来衡量水资源利用压力。山西省属于水资源短缺地区,为满足用水需求,存在不同程度的地下水超采,采用地下水取水量占总供水量的比例作为衡量取水结构合理性的指标。另外,水资源利用客观上存在着产业或部门之间的竞争,推动水资源从低效益向高效益产业和部门配置。因此,本文选取农业用水量占总用水量的比例作为衡量用水结构合理性指标。关于水资源生产率压力采用三次产业单位用水产生的GDP作为衡量指标。由上述指标构建的山西省水资源压力评价体系如表1,正向指标值越大,意味着水资源压力越大,逆向指标值越大,意味着水资源压力越小。本文以山西省的11个地市为研究对象,各类指标的原始数据来源:人口数量、煤炭销量、GDP来源于2010年的《山西统计年鉴》;行政分区面积、新鲜用水量、地下水取水量、水资源量、供水量来源于山西省2010年的水资源公报,其中,第一产业用水量由农业灌溉用水量与林牧渔用水量组成,第二产业用水量为城镇工业用水量,第三产业用水量由城镇公共、居民生活、生态环境用水量组成;耕地面积的数据来源于2005年国土资源统计年鉴;部分指标经原始数据计算所得,各地市水压力评价指标的指标值如表2。三、投影寻踪与指标函数投影寻踪法是使用降维手段把高维数据投影到低维子空间上,找出能反映高维数据结构或特征的投影,达到研究分析高维数据的目的。基于投影寻踪理论,水资源压力评价模型的思路如下:以山西省11个地市为研究样本,将样本的各项压力指标通过投影寻踪聚类分析法构造投影指标函数,优化投影指标得到最优投影方向。根据最优投影方向反映的各项压力指标的不同重要程度,即各项压力指标的客观权重,计算出各样本数据的投影值,进行排序,对水压力进行评价。投影寻踪水资源压力模型实现的具体步骤如下:步骤1:评价指标归一化处理。设x*ij为第i个城市的第j个评价指标,n为城市样本个数,p为评价指标个数,则所有样本的评价指标值形成的样本集为X=(x*ij|i=1,2,…,n;j=1,2,…,p)。为了消除各评价指标的量纲和统一各指标值的变化范围,对样本评价指标进行归一化处理。在评价指标中,正向指标越大水压力越大,属于越大越优指标;逆向指标越小水压力越大,属于越小越优的指标。采用归一化的公式如下:xij=x∗ij−minx∗ijmaxx∗ij−minx∗ijxij=xij*-minxij*maxxij*-minxij*(越大越优的指标)(1)xij=maxx∗ij−x∗ijmaxx∗ij−minx∗ijxij=maxxij*-xij*maxxij*-minxij*(越小越优的指标)(2)步骤2:构造投影指标函数Q(a)。投影寻踪方法就是把p维数据{xij|j=1,2,…,p}综合成以一个n维单位向量a=(a1,a2,…,ap)为投影方向的一维投影值zi:zi=∑j=1pajxij‚i=1‚2‚⋯‚n(3)zi=∑j=1pajxij‚i=1‚2‚⋯‚n(3)在综合投影值时,要求投影值zi的散布特征为:局部投影点尽可能密集,最好能凝聚成若干个点团,而在整体上投影点团之间尽可能散开。基于此,投影指标采用Friedman-Tukey投影指标,指标函数表示,Q(a)=S(a)D(a)其中,S(a)是类间散开度,投影值zi的标准差代替;D(a)是类内密集度,表示为投影值zi的局部密度,即:S(a)=[∑ni=1(zi−E)2n−1]1/2=[∑ni=1(∑pj=1ajxij−E)2n−1]1/2(4)D(a)=∑i=1n∑j=1n(R−rij)⋅u(R−rij)(5)S(a)=[∑i=1n(zi-E)2n-1]1/2=[∑i=1n(∑j=1pajxij-E)2n-1]1/2(4)D(a)=∑i=1n∑j=1n(R-rij)⋅u(R-rij)(5)式中:E是序列zi的均值;R为局部密度的窗口半径,与数据特性有关,根据具体的实验确定;rij是样本之间的距离,rij=|zi-zj|;u(R-rij)是单位阶跃函数,(R-rij)≥0时其函数值为1,(R-rij)<0时其函数值为0。步骤3:优化投影指标函数。由于投影指标函数只随着投影方向的变化而变化,不同的投影方向反映不同的数据结构特征,而最佳投影方向是最大可能的反映高维数据某类结构特征。因此,最佳投影方向的求解是通过求解投影指标函数的最大化问题来估计,即:最大目标函数maxQ(a)=S(a)·D(a)(6)约束条件s.t.∑j=1pa2j=1s.t.∑j=1paj2=1且aj(j=1,2,…,p)≥0(7)式(6)是以投影方向a为变量的复杂非线性优化问题。由于传统的优化方法往往需要目标函数连续、可导,而u函数与rij函数的定义使得目标函数Q(a)在某些点不连续或不可微,因此用传统的优化方法处理较为困难,本文采用实数编码遗传算法进行求解。步骤4:排序。把步骤三求出的最佳投影方向a*代入求出各样本点的投影值z*i,按z*i之间的大小关系进行排序,对水压力作总体评价。四、跟踪模型的水压计性能(一)评价指标的投影方向通过表2选取的山西省评价指标体系,经建立的投影寻踪模型计算,山西省水资源压力指标最优投影方向为a=(0.263141,0.183286,0.113734,0.230764,0.284032,0.292151,0.199051,0.511647,0.338906,0.427203,0.223510,0.127387),指标最佳投影方向如图1。最佳投影方向各分量的大小反映了各评价指标对山西省水压力的影响程度。根据图1最佳投影方向的投影值,对山西省水资源压力综合评价有显著影响的评价指标从大到小依次为:地下水取水量占总供水量的比例(D1)、第一产业的用水效率(D3)、第一产业的用水量占总用水量的比例(D2)均为水资源利用压力指标,其次为水资源组合压力指标。为了缓解山西省水资源压力,未来必须从显著影响水资源压力的方面着手解决。(二)具体得分与排序根据山西省水资源综合水压力评价指标的最佳投影方向,按照投影寻踪法的步骤4计算出各市相应的综合评价得分,具体得分与排序见表3。根据山西省水资源压力综合评价表的排序结果可以看出,目前,吕梁市、运城市、大同市排名靠前,水资源压力较大。以往水资源压力居首位的太原市排名居中,可见,万家寨引黄水的使用促进了太原市取水结构的优化,同时,坑矿水回用和污水处理减少了新鲜用水量,对太原市水资源压力的缓解起到了积极作用。五、关于政治建议1.增加地表水供水量根据前面分析,地下水取水量在总取水量中占比过高,取水结构不合理是导致山西水资源压力的最显著因素。“十二五”期间,山西省提出了经济翻一番的转型跨越发展目标,对水资源承载力再次提出挑战。因此,增加地表水供水能力是缓解山西省水资源压力的必由之路。为实现水资源开发利用由“水瓶颈”向“水支撑”转变,山西省提出构建覆盖全省6大盆地、11个中心城市、70个县市区的“两纵十横、六河连通”的十大骨干供水体系。骨干水系建成后,地表水供水量可达到61亿m3(包括提引黄河水24亿m3),可以缓解10亿m3的地下水供水量,全年总供水量可达到86亿m3,远高于目前57亿m3的供水量。可见,积极推进大水网建设,可以减少地下水取水量,改善取水结构,同时,能大幅提高供水能力,是缓解山西省水资源压力的根本途径。2.加强农田水利基础设施建设,提高农地水平前面的分析结果表明,第一产业用水效率低、用水量占比高是导致山西水压力的显著因素。因此,一方面需要通过工程措施,加大农田水利基础设施建设,提高灌溉渠系的水利用系数。另一方面,需优化管理体制,借鉴发达国家以及宁蒙地区成功的水权转换经验,加强水权制度建设,促进水权交易,利用经济杠杆促进农民节水观念的树立、灌溉新技术的应用,实现节约水资源,从而由低效益的第一产业用水向高效益的其他产业用水流动,达到优化用水结构的目的。3.产业结构调整与经济结构转型的有机统一从水资源压力评价结果看,水资源与社会经济要素